Synthèse des différentes configurations expérimentales investiguées

Nous avons étudié le bruit 1/f dans des photodiodes n/p MWIR et LWIR dopées lacunes de mercure (Hg). Le but à travers ces mesures était de corréler le bruit en courant avec la ou

les variantes suivantes : l’évolution thermique du courant, la surface, l’épaisseur d’épitaxie ou encore la concentration de dopage. Nous avons aussi étudié le bruit 1/f dans des photodiodes p/n MWIR et LWIR dopées extrinsèquement à l’Indium. Ces photodiodes caractérisées se divisent en deux grandes familles suivant leur technologie : une technologie p/n standard et une technologie p/n à double ouverture de gap. Le but à travers ces mesures était de mettre en évidence une corrélation claire du bruit avec la ou les variantes suivantes : l’évolution thermique du courant, la surface de la diode, la forme de la diode, la technologie de la diode ou encore le nombre de contacts diodes. Différents comportements de bruit 1/f ont été observés dans les deux configurations n/p et p/n pour les différentes diodes détectant dans les gammes spectrales étudiées.

L’étude des diodes n/p a révélé dans la gamme MWIR un comportement de bruit n’ayant pas été observé à notre connaissance dans la littérature des photodiodes CdHgTe. L’évolution du bruit est identique suivant que la variation du courant provient d’une variation de la température (ie variation de la génération thermique au sein du volume de diffusion) ou bien d’une différence dans la taille des diodes. Ainsi, dans ce cas, le paramètre unique déterminant le bruit est le courant total traversant la diode. Ce comportement en bruit nous a poussés à développer une relation phénoménologique inspirée du formalisme de Hooge.

L’étude des diodes n/p a révélé dans la gamme LWIR des densités spectrales de bruit de courant qui ne semblaient pas être corrélé directement avec la surface de la diode. Ce bruit indépendant de la géométrie est un comportement très différent de celui reporté dans la littérature. En effet, les modèles existant affichent une corrélation avec la racine carrée de la surface [106], avec la racine carrée du périmètre [97] ou encore avec le périmètre [107]. Une hypothèse proposée est que la modulation du volume de la zone de déplétion au niveau des coins des implantations de forme carré pourrait être à l’origine de ce comportement. Malheureusement, dans cette configuration (n/p LWIR), des diodes de différentes géométries n’étaient pas disponibles pour poursuivre plus avant cette investigation.

179

L’étude des diodes p/n, standards et DOG, a révélé dans la gamme MWIR des densités spectrales de bruit qui semblent être corrélé avec la racine carrée de la surface des diodes à une température donnée indépendamment de la forme d’implantation. Par ailleurs, l’augmentation du courant par augmentation de la température se traduit par une évolution du bruit proportionnelle au courant. Ce comportement est très différent de ce qui a été observé précédemment dans les diodes n/p. La comparaison des résultats de mesures de diodes p/n dans les deux technologies DOG et standard a montré un niveau de bruit plus haut (3 à 4 fois plus élevé) dans les diodes p/n DOG qui pourrait s’expliquait par une densité de pièges Nt plus importante dans la technologie double ouverture de gap. Rappelons que ces

diodes diffèrent par rapport aux diodes p/n standards par l’étendue de l’ouverture de gap sous la passivation, l’interface de la face avant est donc apriori très différente dans ces deux configurations. Ce comportement en bruit observé dans nos photodiodes a mis en cause le procédé technologique DOG, non standard et peu mature et qui serait susceptible d’introduire une dégradation importante de la qualité de l’interface avant ce qui pourrait expliquer la dépendance de la densité spectrale de bruit en courant à la racine carrée de la surface à une température donnée. Aussi, nous avons pu voir que les mesures de bruit effectuées sur des diodes différant par leur nombre de contacts ont montré des niveaux de bruit similaires innocentant le contact diode comme source de bruit 1/f dans cette configuration.

L’étude des diodes p/n, standards et DOG de la gamme LWIR a montré, dans cette configuration, un bruit qui semble être corrélé avec le courant total pendant l’évolution thermique. La comparaison des résultats de mesures de densités spectrales de bruit issues de diodes p/n standards LWIR différant par leur nombre de contacts a montré un plus haut niveau de bruit dans la configuration mono contact diode. Une hypothèse a été avancée pour tenter d’expliquer ce phénomène : des turbulences dans le flux des porteurs traversant le contact. Cette hypothèse est inspirée des phénomènes de turbulences observés dans la mécanique des fluides. Plus concrètement, ce comportement pourrait être expliqué par une concentration intense du flux de porteurs dans un seul contact qui engendrerait d’importantes turbulences au niveau du contact étroit de la configuration mono contact. La répartition du flux sur l’ensemble des contacts dans l’autre configuration permettrait de réduire ces turbulences et induirait une diminution du bruit 1/f généré dans le volume effectif de la diode. Toutefois, dans la technologie DOG cette dépendance du bruit au nombre de contacts n’a pas été observée. En effet, les résultats de mesures de bruit dans les deux configurations mono et multi contacts ont montré que le nombre de contacts n’avait apriori

180

aucune d’influence sur le niveau de bruit. Ce constat différent de celui observé dans la technologie p/n standard pourrait s’expliquer par le fait qu’une double ouverture de gap placerait le dispositif dans une configuration proche du MWIR du point de vue du contact étant donné que l’on a augmenté localement le gap sous la surface. En effet, dans la configuration DOG le contact est souvent moins ohmique, mais la dynamique des porteurs peut changer avec le gap. Aussi, nous avons pu voir dans la gamme LWIR à travers la comparaison des résultats de mesures dans les deux technologies un niveau de bruit un peu plus bas (au moins deux fois plus bas) dans la technologie DOG. Ce constat a mis ainsi en évidence la dépendance du bruit à l’interface avant du dispositif photo-détecteur. Les différentes tendances observées dans les différentes configurations et gammes spectrales sont résumées dans le Tableau 4.

181

Tableau 4 : récapitulatif des différentes tendances de bruit observées dans les structures testées.

Dans la Figure 119 sont comparés les résultats de mesures de densités spectrales de bruit issues des diodes n/p et p/n à géométrie variable. Comme nous pouvons le voir sur cette figure à température donnée et à courant donné, le niveau de bruit 1/f est un ordre de

182

grandeur plus haut dans la configuration p/n. Nous avons vu dans les diodes n/p MWIR que le bruit 1/f exprimé en courant était inversement proportionnel à la racine carrée du dopage. Ainsi, la différence d’un facteur 3 dans le bruit entre les deux configurations n/p et p/n correspondrai à la différence entre les niveaux de dopage qui rappelons-le sont de l’ordre de 1015 _cm-3 _{dans la configuration p/n et de l’ordre de 10}16 _cm-3 _{dans la configuration n/p.}

Le même constat a été observé dans la gamme LWIR en termes de niveau de bruit 1/f comme nous pouvons le voir dans la Figure 120.

Figure 119 : Corrélation de la densité spectrale de bruit en fonction du courant total pour les deux configurations p/n et n/p MWIR.

183

Figure 120 : Corrélation de la densité spectrale de bruit en fonction du courant total pour les deux configurations p/n et n/p LWIR.

A travers ce chapitre nous avons vu plusieurs contributions de bruit : des contributions plus liées à la surface et d’autres plus liées au volume du matériau. Nous avons vu dans la littérature du bruit 1/f et plus spécifiquement dans la littérature des photodiodes CdHgTe des comportements de bruit très différents selon les paramètres technologiques et géométriques adoptés, ou encore selon l’architecture de la photodiode. Les différentes corrélations que nous avons pu observer dans cette étude de bruit montrent la coexistence de différents mécanismes de bruit 1/f dont la dominance est orientée par les différentes variantes technologiques et géométriques. Toutefois l’élément essentiel de cette conclusion est qu’il est préférable de travailler à dopage élevé en vue de contenir au maximum le bruit 1/f à haute température. En effet nous avons vu que travailler à faible dopage permettait de travailler avec des courants d’obscurité faibles mais augmentait le bruit 1/f de manière considérable.

1e-8 1e-7 1e-6 1e-5 1e-4 1e-3 1e-2

1e-13 1e-12 1e-11 1e-10 1e-9 1e-8 1e-7 BI vs Ishunt

Technologie standard LWIR Adv 30° CNE éteint 1/f 1/f 120 K 150 K 200 K 250 K 300 K I(A) in(A/Hz0.5) p/n n/p 2𝑞𝐼

185